基于工业总线控制的在线聚合物杂质测量仪的硬件设计

　　摘要：聚合物材料的洁净度是衡量聚合物产品质量的重要指标之一，怎样提高聚合物产品洁净度，是众多聚合物生产企业和以聚合物为生产材料的企业所面临的最重要的问题。为了解决这一难题，本文针对工业总线控制的在线聚合物杂质测量系统及其相关技术进行研究。本文应用光学成像原理，采用实时测量技术与数字图像处理技术，完成了对聚合物杂质测量系统的设计。

　　本文叙述了聚合物杂质测量系统的整体结构设计方法，对其中的驱动电路、检测电路、通信电路作了详尽的分析与设计。

　　关键词　CCD;信号处理;单片机;工业总线

　　中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：2095-2104(2012)

　　Abstract: The cleanliness of the polymer material is one of the important indicators to measure the quality of polymer products, how to improve the cleanliness of the polymer product is the most important issues facing many polymer manufacturers and polymer materials for the production of enterprises. To solve this problem, polymer impurities measurement systems for industrial bus control and related technologies. In this paper, optical imaging, real-time measurement technology and digital image processing technology, complete the design of polymer impurities in the measurement system.This paper describes the overall structure of the polymer impurity measurement system design methodology, the drive circuit, the detection circuit, communication circuit, made a detailed analysis and design.

　　Key words CCD; signal processing; microcontroller; industrial bus

　　第1章 绪论

　　1.1 概述

　　聚合物是由一种或几种结构单元通过共价键连接起来的分子量很高的化合物，按其性质和用途可分为橡胶、化学纤维和塑料等几大类。聚合物产品具备许多优越性能，被广泛的应用于人们的日常生活，并成为工、农业生产和科学技术领域中不可缺少的重要材料。如何提高产品质量，与国际接轨，走向国际市场，已是摆在企业面前的重要课题。

　　现代化的生产线要求产品的检测必须具有速度快、精度高、在线自动检测的特点。这样不但可以减轻工人劳动强度、降低工作复杂度，还可以降低生产与检测过程中的人为因素，使检测结果更加客观化。同时更可用于统计分析缺陷，找出其产生原因，以便优化结构设计与制作工艺，从而提高生产效率，增加生产效益。在这种情况下迫切需要高精度的自动检测系统，实现聚合物产品的快速动态全场在线测量。

　　第2章 系统整体硬件设计

　　本系统中，由单片机控制系统整个测量电路，以实现各参数的采集和计算。整个系统硬件框图如图3-1所示。下面分别就本控制器所采用的硬件和硬件电路设计进行介绍(其中电源模块部分本系统采用成品电源，并不在本设计之内)。

　　2.2 主要器件的选择

　　2.2.1 微处理器的选择

　　本系统中选择了宏晶公司的STC89C54RD+型单片机。STC89C54RD+型单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

　　2.2.2 CCD器件选取

　　在本系统中，聚合物薄膜的移动速度是20mm/s,要求CCD的行分辨率达到20µm，则CCD的行扫描频率至少不低于1kHz，为实现较为精确的缺陷识别，系统要求每行采集1024个像元，即CCD信号采集速率至少要达到2MHz。

　　综合以上考虑，本系统选用日本东芝公司生产的线阵CCD(TCD132D)。

　　2.2.3 A/D转换器的选取

　　在本系统中由于需要对背景光强、阈值电压、调焦电压等多路信号进行实时监测，并要求抗干扰以及成本适中，所以在本系统中选择了TI公司生产的多通道数模转换器TLC2543。TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源;且价格适中，分辨率较高，在仪器仪表中有较为广泛的应用。

　　2.2.4 D/ A转换器的选取

　　系统中由于需要对电机进行精确的控制，本系统中采用变频器来控制三相交流电机，只需要给变频器0~10V直流电压即可实现控制电机调速，这就要求产生直流电压的D/A转换器有很高的转换精度和转换速率，并且占用单片机I/O口少。综合系统要求，在本系统中选用了TI公司生产的数模转换芯片TLC5615。TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购买。

　　2.3 CCD驱动及其信号处理

　　CCD作为光电图像传感器在许多领域里得到广泛的应用。被检测对象的光信息通过光学成像系统成像于CCD的光敏面上，CCD的像敏单元将其上的光强度转换成电荷量，存于器件的相应位置。CCD在一定频率的时钟脉冲驱动下，将所存信号以一定的方式输出，便在CCD的输出端获得被测图像的视频信号。

　　2.3.1 TCD132D详细介绍及驱动电路设计

　　电荷耦合器件简称CCD，它具有光电转换、信号存储和信号传输(自扫描)的功能，在图象传感、信息处理和信息存储等方面应用广泛。日本东芝公司生产的TCD132D 线阵CCD，由于其内部有驱动电路及信号前放，故外接脉冲信号很简单。

　　在本系统中，CCD的驱动电路采用了CPLD器件(EPM7032STC44)来产生驱动脉冲，由于可编程逻辑器件的集成度高、编程简单(可以通过硬件编程语言vhdl语言等来实现，也可通过图形化编程实现)、成本低、保密性好、工作可靠性高等特点，使得它在业界得到广泛的应用。

　　2.3.2 CCD信号处理单元的设计

　　2.3.2.1 二值化处理方法

　　线阵CCD输出的视频信号中已经含有杂质颗粒的直径信息和位置信息，但是必须首先将这些信息二值化，才能将这些信息提取出来，从而得到杂质颗粒的直径尺寸和位置坐标值。二值化处理方法很多，常用的有固定阈值法、浮动阈值法与微分法。本系统所采用的为浮动阈值法。

　　浮动阈值法是使电压比较器的阈值电压随测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动。这样，当光源强度变化引起CCD的视频信号起伏变化时，可以通过电路将光源的起伏或CCD视频信号的起伏变化反馈到阈值上，使阈值电压跟着变化，从而使二值化方波脉冲的宽度基本不变。图3-2所示为浮动阈值二值化电路的原理图，采样保持器采得线阵CCD在该周期中输出的背景信号，并将其保持到这个周期;跟随器输出信号通过电位器RP送到电压比较器，提供二值化阈值。

　　2.3.2.2 CCD信号背景光强检测以及提取浮动阈值电路

　　为了能够调整合适的阈值，需要对信号的背景光强和浮动阈值调整到一定的比例。CCD经驱动电路输出的信号经过一级1：1同相比例放大，得到信号TST1，在经过一级跟随送到采样保持器，输出点CK1即为阈值电压的基准电压，再经一级采样保持器，得到的信号送入A/D转换电路中，得到背景光强信号的值。图中，由D1、R6、CD5、R7、U2B以及Q1组成的电路是为了解决当热熔状态带状聚合物内有气泡或者是小孔的情况下，信号会出现向上的尖峰问题，信号经过分压得到很小的信号，当有尖峰来到时，会经过运放放大来使三极管导通，把尖峰信号对地短掉，这样尖峰信号就不会被传送后级，由于后级为采样保持器，所以当出现短暂的地信号是不会影响整体背景光强信号采样和浮动阈值的。

　　2.3.2.3 A/D转换电路

　　A/D芯片选用的是TLC2543，其基准电压用REF198来产生。通过A/D转换，把一些CCD的背景信号、阈值电压信号、调焦信号进行数字化转换，通过单片机来进行简单的处理后送入到上位机进行实时观测与处理。

　　2.4 电机控制与转速测量电路设计

　　2.4.1 电机控制电路的设计

　　本系统选用的电机为三相交流电机，采用变频器来控制电机，所要设计的电路分为两部分：一部分为控制电机起停电路，另一部分为电机调速电路。控制电机起停电路采用的方案是用单片机的一个I/O口来控制光耦的导通或关断，继而控制一个小型继电器的导通或关断，其中MT+、MT-接在变频器的起停控制端。

　　电机调速是用单片机来控制D/A输出0~10V直流电压信号送到变频器来实现的。电路中把单片机的数字信号通过光耦隔离输出至D/A (TLC5615)，D/A的基准电压是由MC1403来提供的，D/A输出的模拟信号经运算放大器放大输出至变频器，从而实现了电机调速功能。D/A的最大输出大约为4.99V，再经过后级的同相比例放大，调整电位器为合适的值，使输出模拟电压信号在系统要求的范围内。

　　2.4.2 电机测速电路的设计

　　电机测速在本系统中担负着测量纵向位置信息以及抽样检测等重要的工作。采用光电编码器实现对转速的测量是具有很高的精度的，通过对光电编码器输出的脉冲信号进行计数或者测量其频率，通过简单的计算就能得到被测物体的转速。选用200线输出的编码器，编码器输出信号至三极管后经两个非门进行整形，整形后的信号被送至计数器进行分频，通过单片机内部进行计数，计算其频率，从而得到电机的转速，

　　2.5 单片机通信模块与打点标记电路的设计

　　单片机通信部分为本系统的核心，是本系统连接上位机，实现通信的枢纽，在很多工业控制环境中，一般用一台工控机连接几台生产设备或者检测设备，使控制与检测更加的方便、快捷，并根据工作状态去记录各个仪器的工作状态。在一个很复杂的生产环境中，通信单元应该对环境有很强的抗干扰能力，在本系统中采用光耦隔离技术来实现系统在通信上的抗干扰能力。

　　为了能够在仪器做抽样实验后，去检测杂质颗粒的具体形态与成分等，本系统专门设计了能够在测量到杂质颗粒的地方打上标记的单元，以

　　提供专业人员继续分析杂质的信息，在通过在生产过程中严格控制生产环

　　境、生产工艺等来提高聚合原材料产品的洁净度。图3-3所示为打点器的电路，通过控制PT端的逻辑电平来使光电耦合器导通或关断，输出PT+信号(为+12V或0V电压)来控制继电器实现打点功能。

　　2.6 本章小结

　　详细介绍了CCD驱动、CCD信号处理电路以及其他系统硬件各单元电路的设计，其中包括了电机控制电路、速度检测电路、打点器电路、通信模块的设计。在本章最后提到了在系统硬件设计中如何解决抗干扰的方法，并在附录中给出本系统设计的原理图。

　　结论

　　本文针对聚合物杂质颗粒的特性，以线阵CCD进行测量其特征量而设计了基于工业总线控制的在线聚合物杂质测量仪。

　　高速采样测量，抽样完成聚合物杂质颗粒含量的检测是最基本的功能，在以上基础上，能够得到杂质颗粒更加详细的信息是本系统主要做的工作。

　　论文给出了本系统的具体电路结构，包括CCD检测电路的设计、CCD信号处理电路的设计、电机控制与测速电路设计、通信电路设计、隔离驱动和保护电路设计。并对试验样机进行原理调试，得出了大量试验波形，验证了设计原理的合理性。

　　由于时间的限制，设计还存在很多不足的地方，如一些参数的设计不一定最优等。随着嵌入式系统的飞速发展，数据处理速度和任务调度的灵活性有了很大提高。希望能够进一步将这些新的技术融入机器视觉中去，给图像分析和测量技术带来更大的发展空间。

　　附录A CCD驱动电路原理图

　　附录B 系统主电路原理图